Em formação

Quantos dos quatro cromossomos filhos meióticos de um par homólogo podem ser recombinantes via cruzamento?


Nos gráficos que vi, o cruzamento ocorre entre as duas cromátides "internas" em um arranjo lado a lado de dois cromossomos duplicados:

Isso sugere que apenas dois dos quatro cromossomos filhos meióticos de um par homólogo podem ser recombinantes por meio de cruzamento. Isso é verdade? Ou você pode ter padrões mais complexos, como o mostrado abaixo, em que todas as quatro filhas são recombinantes? A geometria em forma de X dos cromossomos duplicados desempenha um papel nos modelos de fenômenos de cruzamento?

ps. Desculpe se minha terminologia é estranha. Eu sou um iniciante! Especialistas: edições para melhorar a clareza, bem-vindo!


Pode haver e muitas vezes há mais de um cruzamento por cromossomo na meiose, mas quantos cruzamentos ocorrem pode depender da espécie, sexo, idade, ambiente e de qual cromossomo específico está envolvido1,2,3. Por exemplo, os humanos normalmente mostram 2-3 cruzamentos por cromossomo, mas as mulheres costumam apresentar taxas de recombinação mais altas do que os homens.

No entanto, a estrutura que você desenhou parece improvável devido a um fenômeno conhecido como interferência de crossover, que suprime a ocorrência de crossovers pouco espaçados4,5. Veja também esta introdução histórica da Natureza.

No Drosophila melanogaster, os machos não fazem nenhum cruzamento6. Em contraste, as mulheres mostram uma média de cerca de 1,2 cruzamentos por cromossomo7. Isso significa que a maioria das tétrades tem apenas um cruzamento, mas alguns terão mais e este segundo cruzamento pode ocorrer entre qualquer par de cromátides. Assim, pode haver de dois a quatro cromossomos recombinantes, mas mais comumente haverá dois.

(Observe que esta última referência (7) é um artigo de revisão de 2018 sobre este assunto e pode ser um bom lugar para você começar a aprender mais depois de dominar o básico deste assunto - a figura 1 em particular parece diretamente relevante para sua pergunta .)

Referências:

  1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Biologia molecular da célula. 4ª edição. Nova York: Garland Science; 2002. Meiosis. Disponível em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26840/
  2. Fledel-Alon, A., Wilson, D. J., Broman, K., Wen, X., Ober, C., Coop, G., & Przeworski, M. (2009). Padrões de recombinação em larga escala subjacentes à disjunção adequada em humanos. PLoS genetics, 5 (9).
  3. Wang, Z., Shen, B., Jiang, J., Li, J., & Ma, L. (2016). Efeito do sexo, idade e genética na interferência cruzada em bovinos. Relatórios científicos, 6, 37698.
  4. Berchowitz, L. E., & Copenhaver, G. P. (2010). Interferência genética: não fique tão perto de mim. Current genomics, 11 (2), 91-102.
  5. Otto, S. P. e Payseur, B. A. (2019). Interferência cruzada: iluminando a evolução da recombinação. Revisão anual da genética, 53, 19-44.
  6. John, A., Vinayan, K., & Varghese, J. (2016). Achiasmy: as moscas da fruta machos não estão prontas para se misturar. Fronteiras na biologia celular e do desenvolvimento, 4, 75.
  7. Hughes, S. E., Miller, D. E., Miller, A. L., & Hawley, R. S. (2018). Meiose feminina: sinapses, recombinação e segregação em Drosophila melanogaster. Genetics, 208 (3), 875-908.

Reprodução Sexual

Por que você se parece com seus pais, mas não é idêntico? Primeiro, é porque você tem dois pais. Em segundo lugar, é por causa da reprodução sexual. Enquanto a reprodução assexuada produz clones geneticamente idênticos, a reprodução sexuada produz indivíduos geneticamente diversos. Reprodução sexual é a criação de um novo organismo combinando o material genético de dois organismos. Como ambos os pais contribuem com metade do novo material genético do organismo, a prole terá características de ambos os pais, mas não será exatamente como nenhum dos pais.

Figura ( PageIndex <2> ): O cruzamento ocorre durante a meiose I e é o processo em que os cromossomos homólogos se emparelham e trocam diferentes segmentos de seu material genético para formar cromossomos recombinantes. Em algumas espécies, o cruzamento é essencial para a segregação normal dos cromossomos durante a meiose. O cruzamento também aumenta a variação genética, porque, devido à troca de material genético durante o cruzamento, as cromátides mantidas juntas pelo centrômero não são mais idênticas. Portanto, quando os cromossomos passam para a meiose II e se separam, algumas das células-filhas recebem cromossomos-filhos com alelos recombinados. Devido a essa recombinação genética, a prole tem um conjunto diferente de alelos e genes do que seus pais. No diagrama, os genes B e b são cruzados entre si, tornando os recombinantes resultantes após a meiose Ab, AB, ab e aB.l.

Organismos que se reproduzem sexualmente unindo-se gametas, um processo conhecido como fertilização, deve ter um mecanismo para produzir haplóide gametas. Este mecanismo é meiose, um tipo de divisão celular que reduz pela metade o número de cromossomos. Durante a meiose, os pares de cromossomos se separam e segregam aleatoriamente para produzir gametas com um cromossomo de cada par. A meiose envolve duas divisões nucleares e celulares sem interfase entre elas, começando com uma célula diplóide e gerando quatro células haplóides. Cada divisão, denominada meiose I e meiose II, tem quatro estágios: prófase, metáfase, anáfase e telófase. Esses estágios são semelhantes aos da mitose, mas existem diferenças distintas e importantes.

Antes da meiose, o DNA da célula é replicado, gerando cromossomos com duas cromátides irmãs. Uma célula humana antes da meiose terá 46 cromossomos, 22 pares de autossomos homólogos e 1 par de cromossomos sexuais. Cromossomos homólogos (Figure ( PageIndex <2> )), ou homólogos, são semelhantes em tamanho, forma e conteúdo genético; eles contêm os mesmos genes, embora possam ter alelos diferentes desses genes. Os genes / alelos são os mesmos loci em cromossomos homólogos. Você herda um cromossomo de cada par de homólogos de sua mãe e o outro de seu pai. A reprodução sexual é o principal método de reprodução para a grande maioria dos organismos multicelulares, incluindo quase todos os animais e plantas. A fertilização une dois gametas haplóides em um diplóide zigoto, a primeira célula de um novo organismo. O zigoto entra em G1 do primeiro ciclo celular, e o organismo começa a crescer e se desenvolver por meio da mitose e divisão celular.


Prometáfase I

O evento chave na prometáfase I é a ligação dos microtúbulos da fibra do fuso às proteínas cinetocore nos centrômeros. As proteínas cinetocóricas são complexos multiproteicos que ligam os centrômeros de um cromossomo aos microtúbulos do fuso mitótico. Microtúbulos crescem de centrossomas colocados em pólos opostos da célula. Os microtúbulos se movem em direção ao meio da célula e se ligam a um dos dois cromossomos homólogos fundidos. Os microtúbulos se ligam a cada cromossomo e cinetocoros # 8217. Com cada membro do par homólogo ligado a pólos opostos da célula, na próxima fase, os microtúbulos podem separar o par homólogo. Uma fibra do fuso que se anexou a um cinetocoro é chamada de microtúbulo do cinetocoro. No final da prometáfase I, cada tétrade está ligada a microtúbulos de ambos os pólos, com um cromossomo homólogo voltado para cada pólo. Os cromossomos homólogos ainda são mantidos juntos em quiasmas. Além disso, a membrana nuclear foi totalmente destruída.


Na telófase, os cromossomos separados chegam em pólos opostos. O restante dos eventos típicos de telófase podem ou não ocorrer, dependendo da espécie. Em alguns organismos, os cromossomos decondensos e os envelopes nucleares se formam em torno das cromátides na telófase I. Em outros organismos, citocinese& mdash a separação física dos componentes citoplasmáticos em duas células-filhas & mdash ocorre sem reforma dos núcleos. Em quase todas as espécies de animais e alguns fungos, a citocinese separa o conteúdo celular por meio de um sulco de clivagem (constrição do anel de actina que leva à divisão citoplasmática). Nas plantas, uma placa celular é formada durante a citocinese celular por vesículas de Golgi que se fundem na placa metafásica. Essa placa celular acabará por levar à formação de paredes celulares que separam as duas células-filhas.

Duas células haplóides são o resultado final da primeira divisão meiótica. As células são haplóides porque em cada pólo existe apenas um de cada par de cromossomos homólogos. Portanto, apenas um conjunto completo de cromossomos está presente. É por isso que as células são consideradas haplóides e há apenas um conjunto de cromossomos, embora cada homólogo ainda consista em duas cromátides irmãs. Lembre-se de que as cromátides irmãs são meramente duplicatas de um dos dois cromossomos homólogos (exceto para mudanças que ocorreram durante o crossing over). Na meiose II, essas duas cromátides irmãs se separarão, criando quatro células-filhas haplóides.

Link para aprendizagem

Reveja o processo da meiose, observando como os cromossomos se alinham e migram, em Meiosis: An Interactive Animation.


Divisão celular: mitose e meiose

Ciclo de divisão celular, figura da Wikipedia. As células que param de se dividir saem da fase G1 do ciclo celular para o chamado estado G0.

As células reproduzem cópias geneticamente idênticas de si mesmas por ciclos de crescimento e divisão celular. O diagrama do ciclo celular à esquerda mostra que um ciclo de divisão celular consiste em 4 estágios:

  • G1 é o período após a divisão celular e antes do início da replicação do DNA. As células crescem e monitoram seu ambiente para determinar se devem iniciar outra rodada de divisão celular.
  • S é o período da síntese do DNA, onde as células replicam seus cromossomos.
  • G2 é o período entre o final da replicação do DNA e o início da divisão celular. As células verificam se a replicação do DNA foi concluída com êxito e fazem os reparos necessários.
  • M é o período real da divisão celular, consistindo em prófase, metáfase, anáfase, telófase e citocinese.

Cromossomos

Os cromossomos foram nomeados pela primeira vez por citologistas que observaram as células em divisão por meio de um microscópio. A definição moderna de um cromossomo agora inclui a função da hereditariedade e a composição química. Um cromossomo é uma molécula de DNA que carrega todas ou parte das informações hereditárias de um organismo. Em células eucarióticas, o DNA é empacotado com proteínas no núcleo e varia em estrutura e aparência em diferentes partes do ciclo celular.
Os cromossomos se condensam e se tornam visíveis à microscopia de luz conforme as células eucarióticas entram na mitose ou meiose. Durante a interfase (G1 + S + G2), os cromossomos são total ou parcialmente descondensados, na forma de cromatina, que consiste em DNA enrolado em torno de proteínas histonas (nucleossomos).

No G1, cada cromossomo é uma única cromátide. No G2, após a replicação do DNA na fase S, conforme a célula entra na prófase mitótica, cada cromossomo consiste em um par de cromátides irmãs idênticas, onde cada cromátide contém uma molécula de DNA linear idêntica à irmã unida. As cromátides irmãs estão unidas em seus centrômeros, conforme mostrado na imagem abaixo. Um par de cromátides irmãs é um único cromossomo replicado, um único pacote de informações hereditárias.

Cariótipo humano & # 8220 pintado & # 8221 usando sondas de DNA fluorescentes. Cada um desses cromossomos mitóticos consiste em um par de cromátides irmãs unidas em seus centrômeros. As imagens dos pares de cromossomos homólogos (por exemplo, 2 cópias do cromossomo 1) foram alinhadas uma ao lado da outra. Imagem de Bolzer et al., (2005) Mapas tridimensionais de todos os cromossomos em núcleos de fibroblastos masculinos humanos e rosetas de prometáfase. PLoS Biol 3 (5): e157 DOI: 10.1371 / journal.pbio.0030157

Ploidia
Humanos são diplóide, o que significa que temos duas cópias de cada cromossomo. Herdamos uma cópia de cada cromossomo de outra mãe e uma cópia de cada um de nosso pai. Gametas (células espermáticas ou óvulos) são haplóide, o que significa que eles têm apenas um conjunto completo de cromossomos.
Os cromossomos que não diferem entre homens e mulheres são chamados autossomos, e os cromossomos que diferem entre machos e fêmeas são os cromossomos sexuais, X e Y para a maioria dos mamíferos. Os seres humanos mais comumente têm 22 pares de autossomos e 1 par de cromossomos sexuais (XX ou XY), para um total de 46 cromossomos. Dizemos que os humanos têm 2N = 46 cromossomos, onde N = 23, ou o número haplóide de cromossomos.
As células com conjuntos completos de cromossomos são chamadas euploide células com cromossomos ausentes ou extras são chamadas aneuplóide. A condição aneuplóide mais comum nas pessoas é a variação no número de cromossomos sexuais: XO (tendo apenas uma cópia do X), XXX ou XYY. A ausência do cromossomo X resulta em morte embrionária precoce.
As duas cópias de um cromossomo específico, como o cromossomo 1, são chamadas homólogo. A imagem do cariótipo acima mostra os pares homólogos de todos os autossomos. Os cromossomos homólogos não são idênticos entre si, ao contrário das cromátides irmãs. Eles freqüentemente têm variantes diferentes da mesma informação hereditária & # 8211, como olhos azuis versus olhos castanhos, ou tipo sanguíneo A versus tipo sanguíneo B.
Mitose
A mitose produz duas células-filhas geneticamente idênticas entre si e com a célula parental. Uma célula diplóide começa com cromossomos 2N e conteúdo de DNA 2X. Após a replicação do DNA, as células ainda são geneticamente diplóides (número de cromossomos 2N), mas têm conteúdo 4X de DNA porque cada cromossomo replicou seu DNA. Cada cromossomo agora consiste em um par unido de cromátides irmãs idênticas. Durante a mitose, as cromátides irmãs se separam e vão para extremidades opostas da célula em divisão. A mitose termina com 2 células idênticas, cada uma com 2N cromossomos e 2X conteúdo de DNA. Todas as células eucarióticas se replicam via mitose, exceto linha germinativa células que sofrem meiose (veja abaixo) para produzir gametas (óvulos e esperma).

  • os cromossomos da prófase e # 8211 condensam cada cromossomo consiste em um par de cromátides irmãs idênticas unidas no centrômero.
  • metáfase & # 8211 cromossomos se alinham no meio da célula, ao longo do plano de divisão celular, empurrados e puxados por microtúbulos do aparelho do fuso
  • anáfase & # 8211 cromátides irmãs separadas e migram para extremidades opostas da célula
  • cromátides telófases e # 8211 aglomeram-se nas extremidades opostas da célula e começam a se descondensar
  • citocinese & # 8211 a membrana aperta para dividir as duas células filhas

Aqui está um diagrama simplificado que ilustra o processo geral e os produtos da mitose:

Fonte: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MajorEventsInMeiosis_variant_int.svg)

Perguntas ou pontos a ponderar ou observar sobre a figura acima (respostas no final da página):

  1. as duas células-filhas são iguais ou diferentes uma da outra e da célula-mãe no início?
  2. por que a ilustração dos desenhos animados dos cromossomos muda (de um único bastão para bastões duplos unidos) após a replicação do DNA e novamente (de volta aos bastões únicos) durante a mitose?
  3. a figura mostra 2 cromossomos diferentes ou um único par de cromossomos homólogos?
  4. as células haplóides podem sofrer mitose? e as células triplóides (células que possuem cromossomos 3N)?

A animação abaixo mostra o empacotamento do DNA e a condensação dos cromossomos à medida que uma célula sofre mitose.

A narração do vídeo contém um grande erro no tempo 1:22: os cromossomos existem ao longo de todo o ciclo celular (em todos os momentos da vida da célula), eles são visível em sua forma condensada apenas durante a mitose e meiose.

Meiose

Esta é uma sequência especial de 2 divisões celulares que produz gametas haplóides a partir de células germinativas diplóides. Começa com uma célula diplóide que sofreu replicação de DNA cromossômico: cromossomos 2N, conteúdo de DNA 4X. Duas divisões sucessivas, sem replicação adicional de DNA, resultam em 4 gametas haplóides: cromossomos 1N, conteúdo de DNA 1X.
NOVA tem uma boa comparação lado a lado interativa de mitose e meiose nesta página: Como as células se dividem
A meiose prepara o terreno para a genética Mendeliana. Os alunos precisam saber que a maior parte da ação genética ocorre no primeiro divisão meiótica:

  • cromossomos homólogos emparelham e alinham ponta a ponta (sinapsis) na prófase I
  • o cruzamento ocorre entre cromossomos homólogos na prófase I, antes cromossomos se alinham na placa metafásica
  • cromossomos homólogos separam-se de células-filhas (cromátides irmãs não se separam) na primeira divisão, criando células haplóides (1N)
  • a separação de cada par de cromossomos homólogos ocorre independentemente, de modo que todas as combinações possíveis de cromossomos maternos e paternos são possíveis nas duas células-filhas & # 8211 esta é a base da Lei de Sortimento Independente de Mendel & # 8217
  • a primeira divisão é quando as células-filhas se tornam funcionalmente ou geneticamente haplóides

O último ponto parece ser o mais difícil para os alunos entenderem. Considere os cromossomos X e Y. Eles formam pares na prófase I, e então se separam na primeira divisão. As células-filhas da primeira divisão meiótica têm um X ou um Y, elas não têm os dois. Cada célula agora tem apenas um cromossomo sexual, como uma célula haplóide.
Uma maneira de pensar sobre a ploidia é o número de possível alelos para cada gene que uma célula pode ter. Logo após a meiose I, os cromossomos homólogos se separaram em células diferentes. Cada homólogo carrega uma cópia do gene, e cada gene poderia ser um alelo diferente, mas esses dois homólogos agora estão em duas células diferentes. Embora pareça que há dois de cada cromossomo em cada célula, eles são duplicado cromossomos, isto é, é um cromossomo que foi copiado, então há apenas um alelo possível na célula (apenas duas cópias dele).
A segunda divisão meiótica é onde as cromátides irmãs (duplicadas) se separam. Assemelha-se à mitose de uma célula haplóide. No início da segunda divisão, cada célula contém 1N cromossomos, cada um consistindo de um par de cromátides irmãs unidas no centrômero.
Aqui está um diagrama simplificado que ilustra o processo geral e os produtos da meiose:

Visão geral da meiose da Wikipedia por Rdbickel

E aqui está um vídeo que percorre as etapas da meiose:

É muito importante que você reconheça como e por que as células se tornam haplóides após a meiose I.
Para confirmar por si mesmo que você entende a meiose, trabalhe em um ou mais destes tutoriais interativos:

  • O tutorial do U. Arizona Cell Biology Project & # 8217s Meiose tem uma animação de clique da meiose, com 10 questões problemáticas instigantes.
  • Jung Choi & # 8217s tutorial em flash interativo, programado por Pearson, usa o cromossomo humano 7, com tipo selvagem e alelos de fibrose cística para CFTR, para rastrear a segregação por meiose, com e sem cruzamento: tutorial de segregação meiótica

Cromossomos, cromátides, qual é a diferença e quantos cromossomos existem em diferentes momentos do ciclo celular e depois da mitose e meiose?

Os cromossomos, por definição, contêm o DNA que constitui o genoma fundamental da célula. Em um procarioto, o genoma é geralmente empacotado em um cromossomo circular que consiste em uma molécula de DNA circular de alguns milhões de pares de bases (Mbp). Nos eucariotos, o genoma é empacotado em vários cromossomos lineares, cada um consistindo em uma molécula de DNA linear de dezenas ou centenas de Mbp. Os cromossomos existem em todas as diferentes fases do ciclo celular. Eles se condensam e se tornam visíveis à microscopia de luz na prófase da mitose ou meiose, e se descondensam durante a interfase, na forma de cromatina (DNA enrolado em nucleossomos, como & # 8220 grânulos em um fio & # 8221).
O número de cromossomos, N, em eucariotos, refere-se ao número de cromossomos em uma célula haplóide, ou gameta (espermatozoide ou óvulo). As células diplóides (todas as células do nosso corpo, exceto os gametas) têm cromossomos 2N, porque um organismo diplóide é criado pela união de 2 gametas, cada um contendo cromossomos 1N. Em termos de número de cromossomos (ploidia), é útil pensar nos cromossomos como pacotes de informações genéticas. Um par de cromátides irmãs é um cromossomo porque possui informações genéticas (alelos) herdadas de apenas um dos pais. Um par de cromossomos homólogos, cada um consistindo em uma única cromátide em uma célula filha no final da mitose, tem alelos do pai e da mãe e conta como 2 cromossomos.
Este número de cromossomos permanece o mesmo após a replicação do cromossomo durante a fase S: cada cromossomo que entra na divisão celular consiste agora em um par de cromátides irmãs unidas no centrômero. Então, na mitose, as cromátides irmãs de cada cromossomo se separam, de modo que cada célula filha recebe uma cromátide de cada cromossomo. O resultado da mitose são duas células-filhas idênticas, geneticamente idênticas à célula original, todas com cromossomos 2N. Portanto, durante um ciclo celular mitótico, o conteúdo de DNA por cromossomo dobra durante a fase S (cada cromossomo começa como uma cromátide, então se torna um par de cromátides irmãs idênticas durante a fase S), mas o número de cromossomos permanece o mesmo.
Uma cromátide, então, é uma única molécula de DNA cromossômico. O número de cromátides muda de 2X em G1 para 4X em G2 e de volta para 2X, mas o número de cromossomos permanece o mesmo.
O número de cromossomos é reduzido de 2N para 1N na primeira divisão meiótica e permanece em 1N na segunda divisão meiótica. Como os cromossomos homólogos se separam na primeira divisão, as células filhas não têm mais cópias de cada cromossomo de ambos os pais, portanto, têm informações genéticas haplóides e um número cromossômico 1N. A segunda divisão meiótica, onde as cromátides irmãs se separam, é como a mitose. O número dos cromossomos permanece o mesmo quando as cromátides irmãs se separam.
Usando as informações acima, compare esses dois diagramas simplificados de mitose e meiose para visualizar por que as células são haploides após a meiose I. Especificamente, compare os cromossomos nas células no final da mitose versus o final da meiose I, reconhecendo que o diagrama da mitose rastreia apenas um solteiro par de cromossomos homólogos, enquanto o diagrama da meiose acompanha dois pares de cromossomos homólogos (um cromossomo longo e um cromossomo curto):

Visão geral da meiose da Wikipedia por Rdbickel

O vídeo abaixo é voltado para o público do ensino médio, mas apresenta uma maneira útil de reconhecer quantos cromossomos estão presentes em uma célula (e, portanto, o nível de ploidia dessa célula). Enquanto assiste, veja se consegue reconhecer por que os produtos da meiose 1 são células haplóides:


Conteúdo

Existem duas teorias populares e sobrepostas que explicam as origens do crossing-over, provenientes das diferentes teorias sobre a origem da meiose. A primeira teoria baseia-se na ideia de que a meiose evoluiu como outro método de reparo do DNA e, portanto, o crossing-over é uma nova maneira de substituir seções de DNA possivelmente danificadas. [ citação necessária ] A segunda teoria parte da ideia de que a meiose evoluiu a partir da transformação bacteriana, com a função de propagar a diversidade. [6] Em 1931, Barbara McClintock descobriu uma planta triplóide de milho. Ela fez descobertas importantes sobre o cariótipo do milho, incluindo o tamanho e a forma dos cromossomos. McClintock usou os estágios de prófase e metáfase da mitose para descrever a morfologia dos cromossomos do milho e, mais tarde, mostrou a primeira demonstração citológica de crossing over na meiose. Trabalhando com a estudante Harriet Creighton, McClintock também fez contribuições significativas para a compreensão inicial da co-dependência de genes ligados.

Teoria do reparo do DNA Editar

Crossing over e reparo de DNA são processos muito semelhantes, que utilizam muitos dos mesmos complexos de proteínas. [7] [8] Em seu relatório, "O significado das respostas do genoma ao desafio", McClintock estudou o milho para mostrar como o genoma do milho mudaria a si mesmo para superar as ameaças à sua sobrevivência. Ela usou 450 plantas autopolinizadas que receberam de cada pai um cromossomo com uma extremidade rompida. Ela usou padrões modificados de expressão gênica em diferentes setores das folhas de suas plantas de milho para mostrar que os elementos transponíveis (“elementos controladores”) se escondem no genoma, e sua mobilidade permite que alterem a ação dos genes em diferentes loci. Esses elementos também podem reestruturar o genoma, desde alguns nucleotídeos até segmentos inteiros do cromossomo. Recombinases e primases estabelecem uma base de nucleotídeos ao longo da sequência de DNA. Um tal complexo de proteína particular que é conservado entre os processos é RAD51, uma proteína recombinase bem conservada que se mostrou ser crucial no reparo do DNA, bem como no cruzamento. [9] Vários outros genes em D. melanogaster também foram ligados a ambos os processos, mostrando que mutantes nesses loci específicos não podem sofrer reparo ou cruzamento de DNA. Esses genes incluem mei-41, mei-9, hdm, spnA e brca2. [ citação necessária ] Este grande grupo de genes conservados entre processos apóia a teoria de uma relação evolutiva próxima. Além disso, descobriu-se que o reparo e o cruzamento do DNA favorecem regiões semelhantes nos cromossomos. Em um experimento usando mapeamento híbrido de radiação em trigo (Triticum aestivum L.) Cromossomo 3B, crossing over e reparo de DNA ocorreram predominantemente nas mesmas regiões. [10] Além disso, o cruzamento foi correlacionado para ocorrer em resposta a condições estressantes e provavelmente prejudiciais ao DNA [11] [12]

Links para a transformação bacteriana Editar

O processo de transformação bacteriana também compartilha muitas semelhanças com o cruzamento cromossômico, particularmente na formação de saliências nas laterais da fita de DNA quebrada, permitindo o recozimento de uma nova fita. A própria transformação bacteriana foi associada ao reparo do DNA muitas vezes. [ citação necessária ] A segunda teoria parte da ideia de que a meiose evoluiu a partir da transformação bacteriana, com a função de propagar a diversidade genética. [6]. [13] Assim, essa evidência sugere que é uma questão de se o cross over está ligado ao reparo do DNA ou à transformação bacteriana, já que os dois não parecem ser mutuamente exclusivos. É provável que o crossing-over possa ter evoluído da transformação bacteriana, que por sua vez se desenvolveu a partir do reparo do DNA, explicando assim as ligações entre os três processos.

A recombinação meiótica pode ser iniciada por quebras de fita dupla que são introduzidas no DNA pela exposição a agentes que danificam o DNA, [ citação necessária ] ou a proteína Spo11. [14] Uma ou mais exonucleases então digerem as extremidades 5 'geradas pelas quebras de fita dupla para produzir caudas de DNA de fita simples 3' (ver diagrama). A recombinase Dmc1 específica da meiose e a recombinase geral Rad51 revestem o DNA de fita simples para formar filamentos de nucleoproteína. [15] As recombinases catalisam a invasão da cromátide oposta pelo DNA de fita simples de uma das extremidades do intervalo. Em seguida, a extremidade 3 'do DNA invasor inicia a síntese de DNA, causando o deslocamento da fita complementar, que subsequentemente se emparelha com o DNA de fita simples gerado a partir da outra extremidade da quebra de fita dupla inicial. A estrutura resultante é um troca de fita cruzada, também conhecido como junção Holliday. O contato entre duas cromátides que em breve sofrerão um cruzamento é conhecido como quiasma. A junção Holliday é uma estrutura tetraédrica que pode ser 'puxada' por outras recombinases, movendo-a ao longo da estrutura de quatro fios.

Estrutura molecular de uma junção de Holliday.

Estrutura molecular de uma junção de Holliday. Do PDB: 3CRX.

Edição de MSH4 e MSH5

As proteínas MSH4 e MSH5 formam uma estrutura hetero-oligomérica (heterodímero) em leveduras e humanos. [16] [17] [18] No fermento Saccharomyces cerevisiae MSH4 e MSH5 atuam especificamente para facilitar cruzamentos entre cromossomos homólogos durante a meiose. [16] O complexo MSH4 / MSH5 liga e estabiliza junções de Holliday duplas e promove sua resolução em produtos de crossover. Um MSH4 hipomórfico (parcialmente funcional) mutante de S. cerevisiae mostrou uma redução de 30% do genoma em números de crossover e um grande número de meioses com cromossomos sem troca. [19] No entanto, este mutante deu origem a padrões de viabilidade de esporos, sugerindo que a segregação de cromossomos de não troca ocorreu de forma eficiente. Assim em S. cerevisiae a segregação adequada aparentemente não depende inteiramente de cruzamentos entre pares homólogos.

Chiasma Editar

O gafanhoto Melanoplus femur-rubrum foi exposto a uma dose aguda de raios-X durante cada estágio individual da meiose, e a frequência do quiasma foi medida. [20] Verificou-se que a irradiação durante os estágios leptoteno-zigoteno da meiose (ou seja, antes do período de paquiteno em que ocorre a recombinação cruzada) aumenta a frequência de quiasma subsequente. Da mesma forma, no gafanhoto Chorthippus brunneus, a exposição à radiação X durante os estágios iniciais do zigoteno-paquiteno causou um aumento significativo na frequência média do quiasma celular. [21] A frequência do quiasma foi avaliada nos estágios posteriores de diplóteno-diacinese da meiose. Esses resultados sugerem que os raios X induzem danos ao DNA que são reparados por uma via cruzada que leva à formação de quiasmas.

Na maioria dos eucariotos, uma célula carrega duas versões de cada gene, cada uma chamada de alelo. Cada pai passa um alelo para cada filho. Um gameta individual herda um complemento haplóide completo de alelos nos cromossomos que são selecionados independentemente de cada par de cromátides alinhados na placa metafásica. Sem recombinação, todos os alelos para aqueles genes ligados entre si no mesmo cromossomo seriam herdados juntos. A recombinação meiótica permite uma segregação mais independente entre os dois alelos que ocupam as posições de genes únicos, pois a recombinação embaralha o conteúdo do alelo entre os cromossomos homólogos.

A recombinação resulta em um novo arranjo de alelos maternos e paternos no mesmo cromossomo. Embora os mesmos genes apareçam na mesma ordem, alguns alelos são diferentes. Dessa forma, é teoricamente possível ter qualquer combinação de alelos parentais em uma prole, e o fato de dois alelos aparecerem juntos em uma prole não tem qualquer influência na probabilidade estatística de que outra prole tenha a mesma combinação. Este princípio de "classificação independente" de genes é fundamental para a herança genética. [22] No entanto, a frequência de recombinação, na verdade, não é a mesma para todas as combinações de genes. Isso leva à noção de "distância genética", que é uma medida da frequência de recombinação calculada sobre uma amostra (adequadamente grande) de pedigrees. Em termos gerais, pode-se dizer que isso ocorre porque a recombinação é muito influenciada pela proximidade de um gene a outro. Se dois genes estão localizados próximos um do outro em um cromossomo, a probabilidade de um evento de recombinação separar esses dois genes é menor do que se eles estivessem mais distantes. A ligação genética descreve a tendência dos genes a serem herdados juntos como resultado de sua localização no mesmo cromossomo. O desequilíbrio de ligação descreve uma situação na qual algumas combinações de genes ou marcadores genéticos ocorrem com mais ou menos frequência em uma população do que seria esperado de suas distâncias entre si. Esse conceito é aplicado na busca por um gene que pode causar uma doença específica. Isso é feito comparando a ocorrência de uma sequência de DNA específica com o aparecimento de uma doença. Quando uma alta correlação entre os dois é encontrada, é provável que a sequência do gene apropriada esteja realmente mais próxima. [23]

Crossovers typically occur between homologous regions of matching chromosomes, but similarities in sequence and other factors can result in mismatched alignments. Most DNA is composed of base pair sequences repeated very large numbers of times. [24] These repetitious segments, often referred to as satellites, are fairly homogenous among a species. [24] During DNA replication, each strand of DNA is used as a template for the creation of new strands using a partially-conserved mechanism proper functioning of this process results in two identical, paired chromosomes, often called sisters. Sister chromatid crossover events are known to occur at a rate of several crossover events per cell per division in eukaryotes. [24] Most of these events involve an exchange of equal amounts of genetic information, but unequal exchanges may occur due to sequence mismatch. These are referred to by a variety of names, including non-homologous crossover, unequal crossover, and unbalanced recombination, and result in an insertion or deletion of genetic information into the chromosome. While rare compared to homologous crossover events, these mutations are drastic, affecting many loci at the same time. They are considered the main driver behind the generation of gene duplications and are a general source of mutation within the genome. [25]

The specific causes of non-homologous crossover events are unknown, but several influential factors are known to increase the likelihood of an unequal crossover. One common vector leading to unbalanced recombination is the repair of double-strand breaks (DSBs). [26] DSBs are often repaired using homology directed repair, a process which involves invasion of a template strand by the DSB strand (see figure below). Nearby homologous regions of the template strand are often used for repair, which can give rise to either insertions or deletions in the genome if a non-homologous but complementary part of the template strand is used. [26] Sequence similarity is a major player in crossover – crossover events are more likely to occur in long regions of close identity on a gene. [27] This means that any section of the genome with long sections of repetitive DNA is prone to crossover events.

The presence of transposable elements is another influential element of non-homologous crossover. Repetitive regions of code characterize transposable elements complementary but non-homologous regions are ubiquitous within transposons. Because chromosomal regions composed of transposons have large quantities of identical, repetitious code in a condensed space, it is thought that transposon regions undergoing a crossover event are more prone to erroneous complementary match-up [28] that is to say, a section of a chromosome containing a lot of identical sequences, should it undergo a crossover event, is less certain to match up with a perfectly homologous section of complementary code and more prone to binding with a section of code on a slightly different part of the chromosome. This results in unbalanced recombination, as genetic information may be either inserted or deleted into the new chromosome, depending on where the recombination occurred.

While the motivating factors behind unequal recombination remain obscure, elements of the physical mechanism have been elucidated. Mismatch repair (MMR) proteins, for instance, are a well-known regulatory family of proteins, responsible for regulating mismatched sequences of DNA during replication and escape regulation. [29] The operative goal of MMRs is the restoration of the parental genotype. One class of MMR in particular, MutSβ, is known to initiate the correction of insertion-deletion mismatches of up to 16 nucleotides. [29] Little is known about the excision process in eukaryotes, but E. coli excisions involve the cleaving of a nick on either the 5’ or 3’ strand, after which DNA helicase and DNA polymerase III bind and generate single-stranded proteins, which are digested by exonucleases and attached to the strand by ligase. [29] Multiple MMR pathways have been implicated in the maintenance of complex organism genome stability, and any of many possible malfunctions in the MMR pathway result in DNA editing and correction errors. [30] Therefore, while it is not certain precisely what mechanisms lead to errors of non-homologous crossover, it is extremely likely that the MMR pathway is involved.


Prophase I

Early in prophase I, before the chromosomes can be seen clearly microscopically, the homologous chromosomes are attached at their tips to the nuclear envelope by proteins. As the nuclear envelope begins to break down, the proteins associated with homologous chromosomes bring the pair close to each other. (Recall that, in mitosis, homologous chromosomes do not pair together. In mitosis, homologous chromosomes line up end-to-end so that when they divide, each daughter cell receives a sister chromatid from both members of the homologous pair.) The tight pairing of the homologous chromosomes is called synapsis. In synapsis, the genes on the chromatids of the homologous chromosomes are aligned precisely with each other through a lattice of proteins called the synaptonemal complex (Figure 1). The precise alignment supports the exchange of chromosomal segments between non-sister homologous chromatids, a process called crossing over.

Figure 1. Early in prophase I, homologous chromosomes come together to form a synapse. The chromosomes are bound tightly together and in perfect alignment by a protein lattice called a synaptonemal complex and by cohesin proteins at the centromere.

In species such as humans, even though the X and Y sex chromosomes are not homologous (most of their genes differ), they have a small region of homology that allows the X and Y chromosomes to pair up during prophase I.

During process of crossover—or genetic recombination—between the non-sister chromatids. The double-stranded DNA is cleaved, the cut ends are modified, and a new connection is made between the non-sister chromatids. As prophase I progresses, the synaptonemal complex begins to break down and the chromosomes begin to condense. When the synaptonemal complex is gone, the homologous chromosomes remain attached to each other at the centromere. Após o cruzamento, o complexo sinaptonemal se quebra e a conexão de coesina entre os pares homólogos também é removida. At the end of prophase I, the homologous pairs and are called tetrads because the four sister chromatids of each pair of homologous chromosomes are now visible (Figure 2).

Figure 2. Crossover occurs between non-sister chromatids of homologous chromosomes. The result is an exchange of genetic material between homologous chromosomes.

The crossover events are the first source of genetic variation in the nuclei produced by meiosis. A single crossover event between homologous non-sister chromatids leads to a reciprocal exchange of equivalent DNA between a maternal chromosome and a paternal chromosome. Now, when that sister chromatid is moved into a gamete cell it will carry some DNA from one parent of the individual and some DNA from the other parent. The sister recombinant chromatid has a combination of maternal and paternal genes that did not exist before the crossover. Multiple crossovers in an arm of the chromosome have the same effect, exchanging segments of DNA to create recombinant chromosomes.


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Although the process of meiosis is related to the more general cell division process of mitosis, it differs in two important respects:

usually occurs between identical sister chromatids and does not result in genetic changes

Meiosis begins with a diploid cell, which contains two copies of each chromosome, termed homologs. First, the cell undergoes DNA replication, so each homolog now consists of two identical sister chromatids. Then each set of homologs pair with each other and exchange genetic information by homologous recombination often leading to physical connections (crossovers) between the homologs. In the first meiotic division, the homologs are segregated to separate daughter cells by the spindle apparatus. The cells then proceed to a second division without an intervening round of DNA replication. The sister chromatids are segregated to separate daughter cells to produce a total of four haploid cells. Female animals employ a slight variation on this pattern and produce one large ovum and two small polar bodies. Because of recombination, an individual chromatid can consist of a new combination of maternal and paternal genetic information, resulting in offspring that are genetically distinct from either parent. Furthermore, an individual gamete can include an assortment of maternal, paternal, and recombinant chromatids. This genetic diversity resulting from sexual reproduction contributes to the variation in traits upon which natural selection can act.

Meiosis uses many of the same mechanisms as mitosis, the type of cell division used by eukaryotes to divide one cell into two identical daughter cells. In some plants, fungi, and protists meiosis results in the formation of spores: haploid cells that can divide vegetatively without undergoing fertilization. Some eukaryotes, like bdelloid rotifers, do not have the ability to carry out meiosis and have acquired the ability to reproduce by parthenogenesis.

Meiosis does not occur in archaea or bacteria, which generally reproduce asexually via binary fission. However, a "sexual" process known as horizontal gene transfer involves the transfer of DNA from one bacterium or archaeon to another and recombination of these DNA molecules of different parental origin.

Meiosis was discovered and described for the first time in sea urchin eggs in 1876 by the German biologist Oscar Hertwig. It was described again in 1883, at the level of chromosomes, by the Belgian zoologist Edouard Van Beneden, in Ascaris roundworm eggs. The significance of meiosis for reproduction and inheritance, however, was described only in 1890 by German biologist August Weismann, who noted that two cell divisions were necessary to transform one diploid cell into four haploid cells if the number of chromosomes had to be maintained. In 1911, the American geneticist Thomas Hunt Morgan detected crossovers in meiosis in the fruit fly Drosophila melanogaster, which helped to establish that genetic traits are transmitted on chromosomes.

The term "meiosis" is derived from the Greek word μείωσις , meaning 'lessening'. It was introduced to biology by J.B. Farmer and J.E.S. Moore in 1905, using the idiosyncratic rendering "maiosis":

We propose to apply the terms Maiosis or Maiotic phase to cover the whole series of nuclear changes included in the two divisions that were designated as Heterotype and Homotype by Flemming. [8]

The spelling was changed to "meiosis" by Koernicke (1905) and by Pantel and De Sinety (1906) to follow the usual conventions for transliterating Greek. [9]

Meiosis is divided into meiosis I and meiosis II which are further divided into Karyokinesis I and Cytokinesis I and Karyokinesis II and Cytokinesis II respectively. The preparatory steps that lead up to meiosis are identical in pattern and name to interphase of the mitotic cell cycle. [10] Interphase is divided into three phases:

    : In this very active phase, the cell synthesizes its vast array of proteins, including the enzymes and structural proteins it will need for growth. In G1, each of the chromosomes consists of a single linear molecule of DNA. : The genetic material is replicated each of the cell's chromosomes duplicates to become two identical sister chromatids attached at a centromere. This replication does not change the ploidy of the cell since the centromere number remains the same. The identical sister chromatids have not yet condensed into the densely packaged chromosomes visible with the light microscope. This will take place during prophase I in meiosis. : G2 phase as seen before mitosis is not present in meiosis. Meiotic prophase corresponds most closely to the G2 phase of the mitotic cell cycle.

Interphase is followed by meiosis I and then meiosis II. Meiosis I separates replicated homologous chromosomes, each still made up of two sister chromatids, into two daughter cells, thus reducing the chromosome number by half. During meiosis II, sister chromatids decouple and the resultant daughter chromosomes are segregated into four daughter cells. For diploid organisms, the daughter cells resulting from meiosis are haploid and contain only one copy of each chromosome. In some species, cells enter a resting phase known as interkinesis between meiosis I and meiosis II.

Meiosis I and II are each divided into prophase, metaphase, anaphase, and telophase stages, similar in purpose to their analogous subphases in the mitotic cell cycle. Therefore, meiosis includes the stages of meiosis I (prophase I, metaphase I, anaphase I, telophase I) and meiosis II (prophase II, metaphase II, anaphase II, telophase II).

During meiosis, specific genes are more highly transcribed. [11] [12] In addition to strong meiotic stage-specific expression of mRNA, there are also pervasive translational controls (e.g. selective usage of preformed mRNA), regulating the ultimate meiotic stage-specific protein expression of genes during meiosis. [13] Thus, both transcriptional and translational controls determine the broad restructuring of meiotic cells needed to carry out meiosis.

Meiosis I Edit

Meiosis I segregates homologous chromosomes, which are joined as tetrads (2n, 4c), producing two haploid cells (n chromosomes, 23 in humans) which each contain chromatid pairs (1n, 2c). Because the ploidy is reduced from diploid to haploid, meiosis I is referred to as a reductional division. Meiosis II is an equational division analogous to mitosis, in which the sister chromatids are segregated, creating four haploid daughter cells (1n, 1c). [14]

Prophase I Edit

Prophase I is by far the longest phase of meiosis (lasting 13 out of 14 days in mice [15] ). During prophase I, homologous maternal and paternal chromosomes pair, synapse, and exchange genetic information (by homologous recombination), forming at least one crossover per chromosome. [16] These crossovers become visible as chiasmata (plural singular chiasma). [17] This process facilitates stable pairing between homologous chromosomes and hence enables accurate segregation of the chromosomes at the first meiotic division. The paired and replicated chromosomes are called bivalents (two chromosomes) or tetrads (four chromatids), with one chromosome coming from each parent. Prophase I is divided into a series of substages which are named according to the appearance of chromosomes.

Leptotene Edit

The first stage of prophase I is the leptotene stage, also known as leptonema, from Greek words meaning "thin threads". [18] : 27 In this stage of prophase I, individual chromosomes—each consisting of two replicated sister chromatids—become "individualized" to form visible strands within the nucleus. [18] : 27 [19] : 353 The chromosomes each form a linear array of loops mediated by cohesin, and the lateral elements of the synaptonemal complex assemble forming an "axial element" from which the loops emanate. [20] Recombination is initiated in this stage by the enzyme SPO11 which creates programmed double strand breaks (around 300 per meiosis in mice). [21] This process generates single stranded DNA filaments coated by RAD51 and DMC1 which invade the homologous chromosomes, forming inter-axis bridges, and resulting in the pairing/co-alignment of homologues (to a distance of

Zygotene Edit

Leptotene is followed by the zygotene stage, also known as zygonema, from Greek words meaning "paired threads", [18] : 27 which in some organisms is also called the bouquet stage because of the way the telomeres cluster at one end of the nucleus. [23] In this stage the homologous chromosomes become much more closely (

100 nm) and stably paired (a process called synapsis) mediated by the installation of the transverse and central elements of the synaptonemal complex. [20] Synapsis is thought to occur in a zipper-like fashion starting from a recombination nodule. The paired chromosomes are called bivalent or tetrad chromosomes.

Pachytene Edit

o pachytene stage ( / ˈ p æ k ɪ t iː n / PAK -i-teen), also known as pachynema, from Greek words meaning "thick threads". [18] : 27 is the stage at which all autosomal chromosomes have synapsed. In this stage homologous recombination, including chromosomal crossover (crossing over), is completed through the repair of the double strand breaks formed in leptotene. [20] Most breaks are repaired without forming crossovers resulting in gene conversion. [24] However, a subset of breaks (at least one per chromosome) form crossovers between non-sister (homologous) chromosomes resulting in the exchange of genetic information. [25] Sex chromosomes, however, are not wholly identical, and only exchange information over a small region of homology called the pseudoautosomal region. [26] The exchange of information between the homologous chromatids results in a recombination of information each chromosome has the complete set of information it had before, and there are no gaps formed as a result of the process. Because the chromosomes cannot be distinguished in the synaptonemal complex, the actual act of crossing over is not perceivable through an ordinary light microscope, and chiasmata are not visible until the next stage.

Diplotene Edit

During the diplotene stage, also known as diplonema, from Greek words meaning "two threads", [18] : 30 the synaptonemal complex disassembles and homologous chromosomes separate from one another a little. However, the homologous chromosomes of each bivalent remain tightly bound at chiasmata, the regions where crossing-over occurred. The chiasmata remain on the chromosomes until they are severed at the transition to anaphase I to allow homologous chromosomes to move to opposite poles of the cell.

In human fetal oogenesis, all developing oocytes develop to this stage and are arrested in prophase I before birth. [27] This suspended state is referred to as the dictyotene stage or dictyate. It lasts until meiosis is resumed to prepare the oocyte for ovulation, which happens at puberty or even later.

Diakinesis Edit

Chromosomes condense further during the diakinesis stage, from Greek words meaning "moving through". [18] : 30 This is the first point in meiosis where the four parts of the tetrads are actually visible. Sites of crossing over entangle together, effectively overlapping, making chiasmata clearly visible. Other than this observation, the rest of the stage closely resembles prometaphase of mitosis the nucleoli disappear, the nuclear membrane disintegrates into vesicles, and the meiotic spindle begins to form.

Meiotic spindle formation Edit

Unlike mitotic cells, human and mouse oocytes do not have centrosomes to produce the meiotic spindle. In mice, approximately 80 MicroTubule Organizing Centers (MTOCs) form a sphere in the ooplasm and begin to nucleate microtubules that reach out towards chromosomes, attaching to the chromosomes at the kinetochore. Over time the MTOCs merge until two poles have formed, generating a barrel shaped spindle. [28] In human oocytes spindle microtubule nucleation begins on the chromosomes, forming an aster that eventually expands to surround the chromosomes. [29] Chromosomes then slide along the microtubules towards the equator of the spindle, at which point the chromosome kinetochores form end-on attachments to microtubules. [30]

Metaphase I Edit

Homologous pairs move together along the metaphase plate: As kinetochore microtubules from both spindle poles attach to their respective kinetochores, the paired homologous chromosomes align along an equatorial plane that bisects the spindle, due to continuous counterbalancing forces exerted on the bivalents by the microtubules emanating from the two kinetochores of homologous chromosomes. This attachment is referred to as a bipolar attachment. The physical basis of the independent assortment of chromosomes is the random orientation of each bivalent along the metaphase plate, with respect to the orientation of the other bivalents along the same equatorial line. [17] The protein complex cohesin holds sister chromatids together from the time of their replication until anaphase. In mitosis, the force of kinetochore microtubules pulling in opposite directions creates tension. The cell senses this tension and does not progress with anaphase until all the chromosomes are properly bi-oriented. In meiosis, establishing tension ordinarily requires at least one crossover per chromosome pair in addition to cohesin between sister chromatids (see Chromosome segregation).

Anaphase I Edit

Kinetochore microtubules shorten, pulling homologous chromosomes (which each consist of a pair of sister chromatids) to opposite poles. Nonkinetochore microtubules lengthen, pushing the centrosomes farther apart. The cell elongates in preparation for division down the center. [17] Unlike in mitosis, only the cohesin from the chromosome arms is degraded while the cohesin surrounding the centromere remains protected by a protein named Shugoshin (Japanese for "guardian spirit"), what prevents the sister chromatids from separating. [31] This allows the sister chromatids to remain together while homologs are segregated.

Telophase I Edit

The first meiotic division effectively ends when the chromosomes arrive at the poles. Each daughter cell now has half the number of chromosomes but each chromosome consists of a pair of chromatids. The microtubules that make up the spindle network disappear, and a new nuclear membrane surrounds each haploid set. The chromosomes uncoil back into chromatin. Cytokinesis, the pinching of the cell membrane in animal cells or the formation of the cell wall in plant cells, occurs, completing the creation of two daughter cells. However, cytokinesis does not fully complete resulting in "cytoplasmic bridges" which enable the cytoplasm to be shared between daughter cells until the end of meiosis II. [32] Sister chromatids remain attached during telophase I.

Cells may enter a period of rest known as interkinesis or interphase II. No DNA replication occurs during this stage.

Meiosis II Edit

Meiosis II is the second meiotic division, and usually involves equational segregation, or separation of sister chromatids. Mechanically, the process is similar to mitosis, though its genetic results are fundamentally different. The end result is production of four haploid cells (n chromosomes, 23 in humans) from the two haploid cells (with n chromosomes, each consisting of two sister chromatids) produced in meiosis I. The four main steps of meiosis II are: prophase II, metaphase II, anaphase II, and telophase II.

No prophase II, we see the disappearance of the nucleoli and the nuclear envelope again as well as the shortening and thickening of the chromatids. Centrosomes move to the polar regions and arrange spindle fibers for the second meiotic division.

No metaphase II, the centromeres contain two kinetochores that attach to spindle fibers from the centrosomes at opposite poles. The new equatorial metaphase plate is rotated by 90 degrees when compared to meiosis I, perpendicular to the previous plate. [33]

This is followed by anaphase II, in which the remaining centromeric cohesin, not protected by Shugoshin anymore, is cleaved, allowing the sister chromatids to segregate. The sister chromatids by convention are now called sister chromosomes as they move toward opposing poles. [31]

The process ends with telophase II, which is similar to telophase I, and is marked by decondensation and lengthening of the chromosomes and the disassembly of the spindle. Nuclear envelopes re-form and cleavage or cell plate formation eventually produces a total of four daughter cells, each with a haploid set of chromosomes.

Meiosis is now complete and ends up with four new daughter cells.

o origin and function of meiosis are currently not well understood scientifically, and would provide fundamental insight into the evolution of sexual reproduction in eukaryotes. There is no current consensus among biologists on the questions of how sex in eukaryotes arose in evolution, what basic function sexual reproduction serves, and why it is maintained, given the basic two-fold cost of sex. It is clear that it evolved over 1.2 billion years ago, and that almost all species which are descendants of the original sexually reproducing species are still sexual reproducers, including plants, fungi, and animals.

Meiosis is a key event of the sexual cycle in eukaryotes. It is the stage of the life cycle when a cell gives rise to haploid cells (gametes) each having half as many chromosomes as the parental cell. Two such haploid gametes, ordinarily arising from different individual organisms, fuse by the process of fertilization, thus completing the sexual cycle.

Meiosis is ubiquitous among eukaryotes. It occurs in single-celled organisms such as yeast, as well as in multicellular organisms, such as humans. Eukaryotes arose from prokaryotes more than 2.2 billion years ago [34] and the earliest eukaryotes were likely single-celled organisms. To understand sex in eukaryotes, it is necessary to understand (1) how meiosis arose in single celled eukaryotes, and (2) the function of meiosis.

The new combinations of DNA created during meiosis are a significant source of genetic variation alongside mutation, resulting in new combinations of alleles, which may be beneficial. Meiosis generates gamete genetic diversity in two ways: (1) Law of Independent Assortment. The independent orientation of homologous chromosome pairs along the metaphase plate during metaphase I and orientation of sister chromatids in metaphase II, this is the subsequent separation of homologs and sister chromatids during anaphase I and II, it allows a random and independent distribution of chromosomes to each daughter cell (and ultimately to gametes) [35] and (2) Crossing Over. The physical exchange of homologous chromosomal regions by homologous recombination during prophase I results in new combinations of genetic information within chromosomes. [36]

Prophase I arrest Edit

Female mammals and birds are born possessing all the oocytes needed for future ovulations, and these oocytes are arrested at the prophase I stage of meiosis. [37] In humans, as an example, oocytes are formed between three and four months of gestation within the fetus and are therefore present at birth. During this prophase I arrested stage (dictyate), which may last for decades, four copies of the genome are present in the oocytes. The arrest of ooctyes at the four genome copy stage was proposed to provide the informational redundancy needed to repair damage in the DNA of the germline. [37] The repair process used appears to involve homologous recombinational repair [37] [38] Prophase I arrested oocytes have a high capability for efficient repair of DNA damages, particularly exogenously induced double-strand breaks. [38] DNA repair capability appears to be a key quality control mechanism in the female germ line and a critical determinant of fertility. [38]

In life cycles Edit

Meiosis occurs in eukaryotic life cycles involving sexual reproduction, consisting of the constant cyclical process of meiosis and fertilization. This takes place alongside normal mitotic cell division. In multicellular organisms, there is an intermediary step between the diploid and haploid transition where the organism grows. At certain stages of the life cycle, germ cells produce gametes. Somatic cells make up the body of the organism and are not involved in gamete production.

Cycling meiosis and fertilization events produces a series of transitions back and forth between alternating haploid and diploid states. The organism phase of the life cycle can occur either during the diploid state (diplontic life cycle), during the haploid state (haplontic life cycle), or both (haplodiplontic life cycle, in which there are two distinct organism phases, one during the haploid state and the other during the diploid state). In this sense there are three types of life cycles that utilize sexual reproduction, differentiated by the location of the organism phase(s). [ citação necessária ]

No diplontic life cycle (with pre-gametic meiosis), of which humans are a part, the organism is diploid, grown from a diploid cell called the zygote. The organism's diploid germ-line stem cells undergo meiosis to create haploid gametes (the spermatozoa for males and ova for females), which fertilize to form the zygote. The diploid zygote undergoes repeated cellular division by mitosis to grow into the organism.

No haplontic life cycle (with post-zygotic meiosis), the organism is haploid instead, spawned by the proliferation and differentiation of a single haploid cell called the gamete. Two organisms of opposing sex contribute their haploid gametes to form a diploid zygote. The zygote undergoes meiosis immediately, creating four haploid cells. These cells undergo mitosis to create the organism. Many fungi and many protozoa utilize the haplontic life cycle. [ citação necessária ]

Finally, in the haplodiplontic life cycle (with sporic or intermediate meiosis), the living organism alternates between haploid and diploid states. Consequently, this cycle is also known as the alternation of generations. The diploid organism's germ-line cells undergo meiosis to produce spores. The spores proliferate by mitosis, growing into a haploid organism. The haploid organism's gamete then combines with another haploid organism's gamete, creating the zygote. The zygote undergoes repeated mitosis and differentiation to become a diploid organism again. The haplodiplontic life cycle can be considered a fusion of the diplontic and haplontic life cycles. [39] [ citação necessária ]

In plants and animals Edit

Meiosis occurs in all animals and plants. The end result, the production of gametes with half the number of chromosomes as the parent cell, is the same, but the detailed process is different. In animals, meiosis produces gametes directly. In land plants and some algae, there is an alternation of generations such that meiosis in the diploid sporophyte generation produces haploid spores. These spores multiply by mitosis, developing into the haploid gametophyte generation, which then gives rise to gametes directly (i.e. without further meiosis). In both animals and plants, the final stage is for the gametes to fuse, restoring the original number of chromosomes. [40]

In mammals Edit

In females, meiosis occurs in cells known as oocytes (singular: oocyte). Each primary oocyte divides twice in meiosis, unequally in each case. The first division produces a daughter cell, and a much smaller polar body which may or may not undergo a second division. In meiosis II, division of the daughter cell produces a second polar body, and a single haploid cell, which enlarges to become an ovum. Therefore, in females each primary oocyte that undergoes meiosis results in one mature ovum and one or two polar bodies.

Note that there are pauses during meiosis in females. Maturing oocytes are arrested in prophase I of meiosis I and lie dormant within a protective shell of somatic cells called the follicle. At the beginning of each menstrual cycle, FSH secretion from the anterior pituitary stimulates a few follicles to mature in a process known as folliculogenesis. During this process, the maturing oocytes resume meiosis and continue until metaphase II of meiosis II, where they are again arrested just before ovulation. If these oocytes are fertilized by sperm, they will resume and complete meiosis. During folliculogenesis in humans, usually one follicle becomes dominant while the others undergo atresia. The process of meiosis in females occurs during oogenesis, and differs from the typical meiosis in that it features a long period of meiotic arrest known as the dictyate stage and lacks the assistance of centrosomes. [41] [42]

In males, meiosis occurs during spermatogenesis in the seminiferous tubules of the testicles. Meiosis during spermatogenesis is specific to a type of cell called spermatocytes, which will later mature to become spermatozoa. Meiosis of primordial germ cells happens at the time of puberty, much later than in females. Tissues of the male testis suppress meiosis by degrading retinoic acid, proposed to be a stimulator of meiosis. This is overcome at puberty when cells within seminiferous tubules called Sertoli cells start making their own retinoic acid. Sensitivity to retinoic acid is also adjusted by proteins called nanos and DAZL. [43] [44] Genetic loss-of-function studies on retinoic acid-generating enzymes have shown that retinoic acid is required postnatally to stimulate spermatogonia differentiation which results several days later in spermatocytes undergoing meiosis, however retinoic acid is not required during the time when meiosis initiates. [45]

In female mammals, meiosis begins immediately after primordial germ cells migrate to the ovary in the embryo. Some studies suggest that retinoic acid derived from the primitive kidney (mesonephros) stimulates meiosis in embryonic ovarian oogonia and that tissues of the embryonic male testis suppress meiosis by degrading retinoic acid. [46] However, genetic loss-of-function studies on retinoic acid-generating enzymes have shown that retinoic acid is not required for initiation of either female meiosis which occurs during embryogenesis [47] or male meiosis which initiates postnatally. [45]

Flagellates Edit

While the majority of eukaryotes have a two-divisional meiosis (though sometimes achiasmatic), a very rare form, one-divisional meiosis, occurs in some flagellates (parabasalids and oxymonads) from the gut of the wood-feeding cockroach Cryptocercus. [48]

Recombination among the 23 pairs of human chromosomes is responsible for redistributing not just the actual chromosomes, but also pieces of each of them. There is also an estimated 1.6-fold more recombination in females relative to males. In addition, average, female recombination is higher at the centromeres and male recombination is higher at the telomeres. On average, 1 million bp (1 Mb) correspond to 1 cMorgan (cm = 1% recombination frequency). [49] The frequency of cross-overs remain uncertain. In yeast, mouse and human, it has been estimated that ≥200 double-strand breaks (DSBs) are formed per meiotic cell. However, only a subset of DSBs (

5–30% depending on the organism), go on to produce crossovers, [50] which would result in only 1-2 cross-overs per human chromosome.

Nondisjunction Edit

The normal separation of chromosomes in meiosis I or sister chromatids in meiosis II is termed disjunction. When the segregation is not normal, it is called nondisjunction. This results in the production of gametes which have either too many or too few of a particular chromosome, and is a common mechanism for trisomy or monosomy. Nondisjunction can occur in the meiosis I or meiosis II, phases of cellular reproduction, or during mitosis.

Most monosomic and trisomic human embryos are not viable, but some aneuploidies can be tolerated, such as trisomy for the smallest chromosome, chromosome 21. Phenotypes of these aneuploidies range from severe developmental disorders to asymptomatic. Medical conditions include but are not limited to:

    – trisomy of chromosome 21 – trisomy of chromosome 13 – trisomy of chromosome 18 – extra X chromosomes in males – i.e. XXY, XXXY, XXXXY, etc. – lacking of one X chromosome in females – i.e. X0 – an extra X chromosome in females – an extra Y chromosome in males.

The probability of nondisjunction in human oocytes increases with increasing maternal age, [51] presumably due to loss of cohesin over time. [52]

In order to understand meiosis, a comparison to mitosis is helpful. The table below shows the differences between meiosis and mitosis. [53]

Meiose Mitosis
End result Normally four cells, each with half the number of chromosomes as the parent Two cells, having the same number of chromosomes as the parent
Função Production of gametes (sex cells) in sexually reproducing eukaryotes with diplont life cycle Cellular reproduction, growth, repair, asexual reproduction
Where does it happen? Almost all eukaryotes (animals, plants, fungi, and protists) [54] [48]
In gonads, before gametes (in diplontic life cycles)
After zygotes (in haplontic)
Before spores (in haplodiplontic)
All proliferating cells in all eukaryotes
Steps Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I,
Prophase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II
Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase
Genetically same as parent? Não sim
Crossing over happens? Yes, normally occurs between each pair of homologous chromosomes Very rarely
Pairing of homologous chromosomes? sim Não
Cytokinesis Occurs in Telophase I and Telophase II Occurs in Telophase
Centromeres split Does not occur in Anaphase I, but occurs in Anaphase II Occurs in Anaphase

How a cell proceeds to meiotic division in meiotic cell division is not well known. Maturation promoting factor (MPF) seemingly have role in frog Oocyte meiosis. In the fungus S. pombe. there is a role of MeiRNA binding protein for entry to meiotic cell division. [55]

It has been suggested that Yeast CEP1 gene product, that binds centromeric region CDE1, may play a role in chromosome pairing during meiosis-I. [56]

Meiotic recombination is mediated through double stranded break, which is catalyzed by Spo11 protein. Also Mre11, Sae2 and Exo1 play role in breakage and recombination. After the breakage happen, recombination take place which is typically homologous. The recombination may go through either a double Holliday junction (dHJ) pathway or synthesis-dependent strand annealing (SDSA). (The second one gives to noncrossover product). [57]

Seemingly there are checkpoints for meiotic cell division too. In S. pombe, Rad proteins, S. pombe Mek1 (with FHA kinase domain), Cdc25, Cdc2 and unknown factor is thought to form a checkpoint. [58]

In vertebrate oogenesis, maintained by cytostatic factor (CSF) has role in switching into meiosis-II. [56]